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航空导航 传统的航空导航主要包括传统的无线电导航与惯性导航，但ICAO对新航行系统的主要发展方向是卫星导航，并且提出了RNP/RNAV的概念。在可以预见的时期内，卫星导航将在航空导航中发挥巨大的作用，RNP/RNAV将获得极大的发展，同时，传统的导航将会存在一定的时间。因此，本文将主要讨论传统的无线电导航中使用广泛的的VOR(甚高频全向信标)、DME(测距仪系统）、NDB（无指向性无线电信标)；卫星导航GNSS；RNP/RNAV。一：传统无线电导航利用无线电发射台(信标台)发射出的电波在天空中画出一条条航路，飞机根据这些无线电信号就可以准确地在航路上飞行，由此飞机开始了仪表飞行时代。无线电导航设备在过去几十年中发展出很多种类。我国目前正在使用的主要有两类。一类叫无方向信标，也叫中波导航台，英文缩写为NDB；另一类是甚高频全向信标(缩写为VOR)和测距仪(缩写为DME)组成的系统。其中VOR和DME常配套使用，在提供给飞行器方向信息的同时，还能提供飞行器到导航台的距离信息，这样飞行器的位置就可以唯一的被确定下来。 VOR用于为飞机提供方位信息，工作频段为108.00 兆赫- 117.95 兆赫的甚高频段。工作原理为其发出的信号为射频和载波部分，以地面设施上放射出30Hz回转的心型图形后，撘载受讯机会输出30Hz之讯号。另外，地面设施也会发送出不含方位数据，由基准30Hz讯号变调而成的无向性讯号。两个30Hz之间之向位差就成为地面上之磁方位。主要特点是由于使用甚高频，不受天气影响，准确度高。但缺点是VOR-DME系统使用的甚高频和超高频电波是直线传播的，作用距离在200千米之内。在浩瀚的大洋或大面积的无人区中，是无法建造出联接一条航路的诸多VOR站的。地面设施的基地误差是VOR的缺点，一般来说，在地面发送讯号站半径五百公尺以内没有树木，没有大型反射建筑物的平滑地面，通常是设置VOR基地之地点，但是，由于预定场所通常不得已会选在非良好条件的地方，这时候就可以设置多普勒VOR（DVOR)，目前我国主要使用DVOR。 VOR系统主要具有以下3种功能；利用两个VOR台或利用一个VOR台和一个DME台组合确定飞机位置；利用航路上的VOR台引导飞机沿航线飞行；终端引导飞机进场和非紧密近进。DVOR的测角误差在1，精度24，而CVOR的测角误差为23，精度1。根据不同用途VOR台分为两类：A类，用于航路导航，频率112.00118.00MHz，频道间隔0.05MHz，共计120个频道，发射功率200W，作用距离200海里；B类，用于终端引导飞机进场近进，频率范围108.00112.00MHz，频道间隔0.05MHz，且十分位为偶数，共计40个频道，发射功率50W，作用距离25海里。 VOR系统于1949年被国际民航组织批准为国际标准的无线电导航设备，是目前广泛使用的陆基近程测角系统之一。DME工作在UHF频段，是通过无线电测量飞行器到导航台距离的一种装置。DME工作在超高频段，分机载设备和地面设备两部分。基本工作原理是：机载设备发射一个脉冲信号，地面设备接收到该信号后返回给机载设备一个应答信号。机载设备根据发射信号和接收到应答信号的时间差，就可以结合无线电波的速度算出飞行器与地面台站的距离。常与VOR配合使用。 DME配合VOR导航系统保证了飞机能安全有秩序地飞行，极大地提高了空中的交通流量和飞行安全。现在这个系统成为世界上大部分地区主要的导航手段。但是建设VoRDME的航路，费用很高。不可能把地面上所有台站之间都建立起航路。一般只能在中心城市之间或中心城市到一般城市之间设立航路。与VOR一样，其无法再大洋等无人区等地建设。DME1959年被ICAO作为标准测距系统，与VOR配合使用广泛。并且VOR/DME在卫星导航GNss现在还满足不了精度、完好性、可用性和持续性等性能要求，未达到RNP/RNAV要求的情况下，作为增强支持系统在RNP/RNAV中起到重要作用。NDB 是设置于地面上之送讯装置，使用190-1750KHz带，通常只附上用1020Hz进行调幅调变的局部符号。飞机使用可以转动的环状天线接收信号，当测到电波最强的方向时，天线停止转动，于是就测出电台与飞机之间的方位。飞机按这个方向飞行，就能准确地飞到电台所在的位置。中波导航台准确性低并且容易受到天气的影响，但它价格便宜，设备结实耐用。所以世界上很多中小型机场和发展中国家的多数机场还在使用它。我国广大的西部地区的机场也在使用这种系统。总体而言，传统无线电导航系统虽然应用广泛，但是由于技术落后，NDB将被淘汰，VOR/DME今后将保留作为GNSS服务故障时的候补。例如，2006年美国无方向性信标台1126个，塔康共574个，全向信标和塔康合装105个，全向信标1036个。日本2003年有59个全项信标（NDBs）处于运行，其中35个用于航站，24个用于航路上的各种用途。由于NDB不如其他导航设施精确，例如VHF甚高频全向无线电信标/测距仪（VOR/DME）或全球定位系统（GPS），并且不支持区域导航（RNAV），按照JCAB2001年制定的过渡计划，NDB将逐步淘汰。由于全球导航卫星系统（GNSS）正在世界范围广泛使用，所有NDB将于2015年之前彻底淘汰。 有94套VOR/DME和23套VORTAC。设施总数为117套，其中65套用于航站，52套用于航路上的不同用途。这些设施用于航站区域的进近或离港，并构成航路上的30条RVAV航路。随着导航服务向GNSS过渡，设施的数目还将下降。在过渡计划中，包括VORTAC的VOR/DME将在彻底取消NDB之后开始逐步淘汰。但是，构成主要航路的部分设施今后将保留作为GNSS服务故障时的候补。 二：GNSS卫星导航GNSS包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的Compass(北斗)、欧盟的Galileo系统，可用的卫星数目达到100颗以上。其中 全球卫星导航系统(GPS)是现在主要的卫星导航系统。讨论GPS原理及其导航功能的实现对于新航行系统的实施，特别是现阶段新航行系统的应用有及其重要的作用。航空移动卫星通信(AMSS),它工作在15451555MHz和1646.51656.5MHz频段,包括话音和数据通信,可提供空中交通管制(ATC)、航务管理通信(AOC)、航空行政通信(AAC)和航空旅客通信(APC)服务。从定义上说，是ICAO在描述用于向飞行员提供导航信息的任何独立的卫星导航系统的统称。和传统的陆基无线电导航系统比较，GNSS是一个全球范围的导航系统，具有潜力支持从航路飞行一直到m类精密进近着陆的运行，并可提供地面引导。GNSS现在还满足不了精度、完好性、可用性和持续性等性能要求;必须在各种增强系统支持下，才能满足飞行各阶段的要求。因此，可以认为在各种增强设备的辅助下，GNSS可以提供一个无缝隙的导航引导系统，可供航空器在不依靠其它导航系统的前提下在各个飞行阶段使用。 卫星导航现阶段主要面临下列问题：系统完好性不足、系统可用性和服务的连续性不佳、系统的精度难以满足高性能的要求、系统实时性难以保证、缺乏国际统一管理和统一标准。为了使GNSS支持所有的飞行阶段，克服GNSS的固有缺陷，发展了三类增强系统:地面增强系统、空间增强系统和飞机增强系统。同时，差分技术也广泛使用。 GNSS在航空导航中主要用于航路导航、进场与着陆和区域导航。其主要优点是其可以使飞机很容易实现任意两点之间的直线飞行，而且可以灵活地选择一条短捷航路。不在收到地面建台与否的限制，实现了随机导航的思想。 卫星导航系统从导航设施一直到地面组织管理在技术上均已比较成熟，估计在1020年内将会全面取代现在的无线电导航系统。1992年5月，国际民航组织（ICAO）在未来的航空导航系统会议上通过了计划方案GNSS（全球导航卫星系统）。该系统是一个全球性的位置和时间的测定系统，包括一个或几个卫星星座、机载接收仪及监视系统。GNSS系统不仅能提供与GPS和GLONASS系统相类似的导航定位功能，且能同时具有全球卫星移动通信的能力，即具有通讯与导航的双重功能。GNSS在各国中得到了广泛的应用：在美国FAA在2006年对星际导航项目组织结构进行了重组，成立了全球导航卫星系统（GNSS）项目办公室，下设全球卫星定位系统（GPS）、星际增强系统（SBAS）、地基增强系统（GBAS）三个项目组。GPS24颗卫星分布于6个轨道面，每个轨道4颗星，55度轨道倾斜，10890英里高，14个监控站，主站在SCHRIEVER空军基地，备用主站在马里兰州GAITHERSBURG，目前频率L1（1575.42MHZ）可用于导航，新频率L5(1176.45MHZ)将在2015年提供航空导航使用。WAAS组成由2个地面主站和25个地面参考站、地球静止同步卫星(GEO）、2个运行控制中心组成。2个运控中心之间每4小时互换。2个主站在VIRGINIA州的HERNDON和CARIFONIA州的PALMDALE。25个参考站位于全美国大陆和夏威夷、波特黎哥、阿拉斯加、加拿大、墨西哥。通过收集和处理全球卫星定位系统GPS信息，并将这些信息发往主站，对完好性进行监控，主站计算出修正信息通过地球同步通信卫星GEO再送给用户接收。以日本为例：多功能运输卫星（MTSAT）以多功能运输卫星为基础的增强系统（MSAS）已经实施用来增强使用MTSAT的GPS，从2005年起开始运行。MSAS将在日本首先引导GNSS的过渡，并将促进GPS/MSAS为基础的进近以及航路上的运行。为了与MSAS的实施相适应，JCAB已经开始通过建立由各大学、国家实验室和航空公司专业人员组成的委员会，制定GPS/MSAS的运行和程序。 同样重要的是鼓励各航空公司和GA装备GPS/星基增强系统（SBAS）接收机，以便推动GNSS的使用。三：RNP/RNAVRNP概念是91、92年间由FANS委员会向ICAO提出，在94年ICAO正式颁布RNP手册(Doc9613-AN937)中定义为：飞机在一个确定的航路、空域或区域内运行时，所需的导航性能精度。RNP是在新航行系统开发应用下产生的新概念，是利用飞机自身机载导航设备和全球定位系统引导飞机起降的新技术。 与传统导航技术相比，飞行员不必依赖地面导航设施即能沿着精准定位的航迹飞行，使飞机在能见度极差的条件下安全、精确地着陆，极大提高飞行的精确度和安全水平。RNP分为航路RNP和终端RNP，航路RNP目前有：RNP1 1.0海里(1.85公里) 允许使用灵活航路；RNP4 4.0海里(7.4公里) 实现两个台点间建立航路；RNP12.6 12.6海里(23.3公里) 在地面缺少导航台的空域；RNP20 20.0海里(37.0公里) 提供最低空域容量的ATS 。 区域导航(RNAV)是一种导航方法，允许飞机在台基导航设备的基准台覆盖范围内或在自主导航设备能力限度内，或两者的配合下按任何希望的路径飞行。在这一概念中，台基导航设备是指陆基无线电导航系统和星基导航系统。随着新航行系统的实施，陆基导航系统将逐渐退出，星基导航系统和自主导航系统将逐渐在区域导航中发挥主导作用。区域导航的实现，不仅是导航方法的进步，也是管制体制的改革。RNAV分两种精度等级，基本RNAV和精密RNAV(表3.1)。基本RNAV其导航性能对应95%包容度时，航迹跟踪精度小于或等于士4NM，其保护空域希望为航迹两边各SNM，目前暂且维持侧向间隔最小间隔标准IONM，以后随着GNSS、RNAV的推进，进一步缩减;基本RNAV对应于目前分布距离小于10ONM的VOR/VOR、VOR/DME台，是在现行导航系统基础上实施新航行系统RNAV概念的标准。精密RNAV其导航表现性能要求对应99%包容度时，航迹跟踪精度小于或等于士0.SNM，为精密RNAV提供的保护空域为航迹左右两侧各2NM。区域导航的特点为：RNAV航线的航路点可以是任意定义的地理坐标点；RNAV航线时，可以逐点飞行。也可以实现越点飞行，甚至可以直接建立起点和终点之间的大圆航线，实现直飞；在定位方法上，RNAV计算的是飞机的绝对位置。RNP/RNAV作为先进的导航技术受到了各国的重视：一：美国FAA已在83个机场实施了19个区域导航标准进场程序RNAV STARS150个区域导航标准离场程序RNAV SIDS。实施了6个RNP SAAAR进近程序，另有10个已完成设计准备发布，15个在开发。21个航路区域导航RNAV航线和4个仪表飞行规则（IFR）区域导航RNAV终端过渡航线。正在FLORIDA进行的空域优化涉及900新航线，包括新区域导航标准进场程序RNAV STARS的编码离港CODED DEPATURE航线。太平洋进近侧向导航/垂直导航（LNAV/VNAV)。400新区域导航带垂直引导的航向性能（RNAV LPV）进近程序。目前只有阿拉斯加航空波音737的RNP SAAAR被批准授权对公众使用。据美国2006年7月第二版的性能基导航路书PBNAV ROADMAP，分三个阶段：